Informatik II Einführung in Python, Basics Vergleich

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Clausthal
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G
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Informatik II
Einführung in Python, Basics
Vergleich mit C++
G. Zachmann
Clausthal University, Germany
[email protected]
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Intro
§  Skript-Sprache
§  Nich compiliert, sondern "interpretiert"
§  "Glue"-Sprache (Filter-Skripte, Prototyping, …)
§  Erfinder: Guido von Rossum
§  Web-Seite: www.python.org
§  Newsgroup: comp.lang.python
§  Sehr aktive Weiterentwicklung (PEPs):
§  "Python Enhancement Proposal"
§  http://www.python.org/peps/
§  Wohldefinierte Prozedur unter Einbeziehung der Community
§  Achtung: wir verwenden Version 2.6 !
G. Zachmann
Informatik 2 – SS 11
Einführung in Python
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1
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Warum Python?
§  Einige allgemeine Konzepte von Programmiersprachen lassen sich
besonders leicht durch Vergleich (z.B. mit C++) erklären
§  Als Informatiker muß man viele Sprachen lernen
§  Als Informatiker muß man lernen, das dem Problem angepaßte
"Mind-Set" (= Programmiersprache) zu wählen (→ Intuition!)
Programming languages are not merely technologies,
but habits of mind as well.
[aus Paul Graham: "Beating the Averages", http://www.paulgraham.com/avg.html]
§  Python ist eine VHL (very high level) Sprache →
eignet sich gut zum "prototypischen" Programmieren
§  Leicht erlernbar: wenig Keywords, klare Konzepte
§  "Life's better without braces" (Bruce Eckel)
§  Python verbreitet sich sehr stark
§  Ist z.B. eine der Hauptsprachen bei Google
G. Zachmann
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http://www.tiobe.com/index.php/content/paperinfo/tpci/index.html
Der Tiobe-Index
G. Zachmann
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Programming Languages History
G. Zachmann
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Hello World in Python
§  Muß jeder Programmierer einmal geschrieben haben! J
G. Zachmann
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Python-Skripte
§  Skript = ASCII-File mit gesetztem Exec-Permission-Bit (Linux / Mac)
§  Beispiel:
G. Zachmann
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Ein wenig Computer-Folklore
§  The ACM "Hello World" project:
http://www2.latech.edu/~acm/HelloWorld.html
§  Für erfahrene Programmierer:
http://www.gnu.org/fun/jokes/helloworld.html
§  A propos "Real Programmers":
http://foldoc.doc.ic.ac.uk/foldoc/foldoc.cgi?Real+Programmers+Don't
+Use+Pascal
G. Zachmann
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Die interaktive Python-Shell
§  python
im Terminal aufrufen
§  Kommandozeilen-History
§  Kommandozeilen-Editor
§  Mehrzeilige Konstrukte mit Leerzeile abschließen
§  Beispiel:
G. Zachmann
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Python IDEs
§  Nicht wirklich nötig in diesem Kurs!
§  Python Tools for Visual Studio: http://pytools.codeplex.com/
§  Eric: http://eric-ide.python-projects.org/
§  Boa Constructor: http://boa-constructor.sourceforge.net
§  Eclipse mit PyDev:
§  Nur geeignet für jemand, der Eclipse schon beherrscht
§  Xcode: Mac only
§  Leider geht damit kein Debugging
§  Wing IDE 101: http://wingware.com/wingide-101
§  Cross-platform; inkl. kleinem Debugger
G. Zachmann
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Kommentare
§  Startet mit #, bis zum Ende der Zeile
x = 10 # Bedeutung der Variable
# Kommentarzeile
§  Zum Vergleich in C++
const int Ntries; // the rest of the line …
// … is treated like a comment
G. Zachmann
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§  Langer Kommentarblock
"""
Blubber
bla bla bla bla.
"""
§  Kann überall dort stehen, wo ein Statement stehen kann
§  Funktioniert nicht so allgemein in der interaktiven Pyhton-Shell
§  In C/C++
const int Ntries;
/* this is a multiline comment:
Everything is treated like a comment.
Comments can’t be nested. The comment is
closed with a */
G. Zachmann
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Identifier
§  Wie in C++ und praktisch jeder anderen Sprache
§  Anderes Wort für Name (Variablename, Funktionsname)
§  Zeichenkette
§  Zugelassen: alphanumerische Zeichen und Underscore (_)
§  Erstes Zeichen darf nicht Ziffer sein
-  blub und _bla sind ok
-  2pi nicht ok
§  Kein Limit auf Länge
§  Case-sensitiv
G. Zachmann
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Keywords
§  Wörter mit spezieller Bedeutung
§  Sind reserviert, kann man nicht als Namen verwenden
and
assert
break
class
continue
def
del
elif
else
except
exec
finally
In C++ :
G. Zachmann
Keywords in Python
for
from
global
if
import
in
asm
auto
bool
break
case
catch
char
class
const
const_cast
continue
default
delete
do
double
dynamic_cast
is
lambda
not
or
pass
print
keyword
else
operator
enum
private
explicit
protected
extern
public
false
register
float
reinterpret_
for
return
friend
short
goto
signed
if
sizeof
inline
static
int
static_cast
long
struct
mutable
switch
namespace template
new
this
raise
return
try
while
yield
throw
true
try
typedef
typeid
typename
union
unsigned
using
virtual
void
volatile
wchar_t
while
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Eingebaute (built-in) einfache Typen
§  int : Integers (ganze Zahlen)
§  bool : Wahrheitswerte
§  float : Floating-Point-Zahlen (floats) ("reelle Zahlen")
§  str : Strings (im Gegensatz zu C++ echter Datentyp)
§  Höhere Datenstrukturen
§  Liste, Komplexe Zahlen, Dictionary: später
§  Set, Module, File, …
§  Unterschiede zu C++:
§  int kann beliebig groß werden (Python schaltet intern autom. um)
§  float = double (ex. kein single precision float)
§  Höhere Datenstrukturen (str, Sequenzen, complex, dict, etc.) fest
eingebaut, nicht über Header-Files / Libraries
G. Zachmann
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Literale
§  Im großen ganzen wie in C++:
Literal
Bemerkung
123 0123 0x123
3.14 3E1
"" "123"
"name"
"a \"string\""
"""a string ...
spanning two lines"""
True False
None
() (1,) (1,2,3)
[] [1,2,3]
type(x)
int's (decimal, octal, hex)
floats
string (first = null string)
G. Zachmann
prints: a "string"
string over
several lines is built-in
bool's
"Zeiger-Wert" / 0-Obj. (NULL in C++)
Tupel
Liste
Typen kann man vergleichen
und zuweisen
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Variablen
§  Ähnliche Funktion wie in Mathematik, speichert Wert
§  Variable = Paar von Name und "Zeiger" auf Speicher (Binding)
§  Unterschiede zu C++ und Java:
§  Variablenname hat keinen Typ!! Wert der Variable sehr wohl!
§  Ist nur "Zeiger" auf Wert im Speicher, dieser kann beliebig oft geändert
werden
§  Braucht nicht deklariert zu werden!
§  Muß natürlich vor der Verwendung erzeugt worden sein
§  Erzeugung / Initialisierung:
seconds_per_day = 60*60*24
seconds_per_day = 86400
G. Zachmann
# erzeugt Variable
# ändert deren Wert
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§  Objekte im Speicher haben immer einen Typ
>>> a = 1
>>> type(a)
<type 'int'>
>>> a = "Hello"
>>> type(a)
<type 'string'>
>>> type(1.0)
<type 'float'>
G. Zachmann
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Style-Guidelines für Variablen
§  Wie in C++ und jeder anderen Sprache
§  "Kleine" Variablen:
§  Laufvariablen, Variablen mit sehr kurzer Lebensdauer
§  1-3 Buchstaben
§  i,j,k,… für int's
§  a,b,c,x,y,z … für float's
§  "Große" Variablen:
§  Längere Lebensdauer, größere Bedeutung
§  Verwenden Sie labeling names! ("Sprechende Namen")
§  mein_alter, meinAlter, determinante, …
G. Zachmann
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Operatoren und Ausdrücke
§  Ausdruck (expression) = mathematischer oder logischer Term
§  Beispiele:
import math
math.sin(x)*math.sin(2*x)
"to " + "be"
2 < 1
(x > "aaa") and (x < "zzz")
#
#
#
#
#
lade Mathe-Funktionen
arithm. expression
string expr.
logic expression
dito
§  Ausdruck setzt sich zusammen aus:
§  Literalen (Konstanten), Variablen, Funktionen
§  Operatoren
§  Klammern
§  Übliche Regeln
G. Zachmann
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Operatoren und Ausdrücke
Arithm. Operator
-i
+w
a*b
a/b
i%2
a+b
a-b
x**y
Meaning
unary + and mult., div., modulo
binary + and power
Bit-wise Operators
~ i
bitwise Complement
i & j
bitwise AND
i | j
bitwise OR
i ^ j
bitwise XOR
Assignment op.
x □= y
Bsp.:
x -= y
x /= y
x &= y
G. Zachmann
equivalent
Definiert für alle
numerischen Typen
(im Gegensatz zu C++)
Relational Operators
<
>
<=
>=
==
!=
less than
greater than
less or equal
greater or equal
equals
not equal
x = x □ (y)
x = x - y
x = x / y
x = x & y
Definiert für alle Typen!
(im Gegensatz zu C++)
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C
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C
Boole'sche Operatoren
§  in Python
Boolean Operators
not
and
or
unary not
logical and
logical or
§  Beispiele
§  in C++
not x
(not x) and y
((not x) and y) or (z and w))
Boolean Operators
!
&&
||
G. Zachmann
unary not
logical and
logical or
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G
C
Beispiel: Berechnung von Schaltjahren
y = 2005
# Durch 4 teilbar, aber nicht durch 100
isLeapYear = (y % 4 == 0) and (y % 100 != 0)
# Oder durch 400 teilbar
isLeapYear = isLeapYear or (y % 400 == 0)
G. Zachmann
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C
G
C
Increment- / Decrement-Operatoren
§  In C++:
Increment
Equivalent to
and decrement
k
k
k
k
=
=
=
=
++ j;
j ++;
-- j;
j --;
j
k
j
k
=
=
=
=
j + 1; k = j;
j;
j = j + 1;
j - 1; k = j;
j;
j = j - 1;
§  Gibt es in Python nicht!
§  Problem mit Increment- / Decrement-Operatoren:
§  Nebeneffekt → schlechte Wartbarkeit; und
-  Beispiel: Tabelle oben
§  Reihenfolge der Auswertung der Operanden nicht festgelegt → versch Ergebnisse
-  Beispiel:
while ( source[j] )
dest[i++] = source[j++] ;
G. Zachmann
i = 2;
j = (i++) * (i--);
j = ?
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G
C
Ganzzahlarithmetik
§  Wertebereich
§  Integers können beliebig lang werden
§  Overflow:
§  Kein Überlauf in Python!
import sys
print sys.maxint
2147483647
print sys.maxint * 2
4294967294
§  Division:
§  wie in C++: 3/2 à 1, 3.0/2 à 1.5
§  Division und Modulo: (x/y)*y + x%y == x
G. Zachmann
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Float-Arithmetik (praktisch identisch zu C++)
§  Implementiert IEEE 754-1985 Standard
§  Überlauf ("overflow"):
§  Zahl wird zu groß / zu klein
§  Beispiel: max.float * 2
§  Resultat = +∞ bzw. -∞
§  Underflow:
§  Zahlen liegen zu dicht an der 0
§  Resultat = +0.0 bzw. -0.0
§  NaN (Not a Number) (in C++):
§  Rechnungen, wo kein sinnvoller Wert rauskommt
§  Bsp.: 1/0 , ∞*0 , sqrt(-1.0)
§  In Python: Fehlermeldung
G. Zachmann
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Beispiel: Quadratische Gleichungen
§  Lösen der quadratischen Gleichung x² + bx +c = 0
import math
sqroot = math.sqrt(b*b - 4.0*c)
root1 = (-b + sqroot) / 2.0
root2 = (-b - sqroot) / 2.0
G. Zachmann
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Typ-Konvertierung (Cast)
§  Wie in C++, mit anderer Syntax:
Typ-Konvertierung
int(x)
Konvertiert x in eine Ganzzahl
float(x)
Konvertiert x in eine Fließkommazahl
str(x)
Konvertiert Objekt x in eine String-Darstellung
repr(x)
Konvertiert Objekt x in einen String-Ausdruck
eval(x)
Wertet String x aus und gibt ein Objekt zurück
tuple(x)
Konvertiert Sequenz in ein Tupel
list(x)
Konvertiert Sequenz in eine Liste
chr(x)
Konvertiert eine Ganzzahl in ein Zeichen
ord(x)
Konvertiert einzelnes Zeichen in dessen Zahlw.
§  In C++:
Schreibweise
y = static_cast<float>(x);
G. Zachmann
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C
Beispiel: Zufallszahlen
import random
N = 1000
# random() liefert eine Zufallszahl zwischen 0 und 1
r = random.random()
s = int( r*N )
# s = ganzzahlige Zufallszahl zwischen 0 und 1000
G. Zachmann
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C
G
C
Vergleichsoperatoren (wie in C++)
§  Operanden sollten gleichen Typ haben
§  Sonst automatische Konvertierung
§  Resultat: Wahrheitswert (in Python: False oder True)
§  Achtung: verwechsle nicht = und == !
§  Richtiger Vergleich von Floating-Point-Werten siehe später!
G. Zachmann
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G
C
Präzedenz und Assoziativität (fast wie in C++)
Präzedenz Operator
[…,…] (…,…) Liste-, Tupel-Bildung
[] ()
Indizierung, Fkt.-aufruf
~ + unäre Operatoren
* / %
binäre multiplikative Op.
+ binäre additive Op.
&
bit-weise logisches UND
|
bit-weises OR
< … >=
Vergleichsoperatoren
== !=
in
Bsp.: x in [1,2,4,8,16]
not
logische Verknüpfung
and
logische Verknüpfung
or
= += … |=
Zuweisungsoperatoren
G. Zachmann
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C
Short circuit logic bei Boole'schen Ausdrücken
§  Wie bei C++
§  and und or werden von links nach rechts ausgewertet
§  Falls Wahrheitswert feststeht, keine weitere Auswertung!
§  True or x → True
§  False and x → False
G. Zachmann
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G
C
Statements (Anweisungen)
§  Unterschied zu C++:
§  Eine Anweisung pro Zeile (normalerweise)
§  kein Semikolon nötig am Zeilenende
§  Leere Anweisung = pass
G. Zachmann
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C
G
C
Standard Output
§  Flexible Schnittstelle für den Output von Programmen
§  In Python wird der Output von print zu stdout geleitet
§  Normalerweise wird stdout in einem Terminalfenster ausgegeben
§  Man kann ihn aber auch in eine Datei umleiten, ohne Änderungen
am Programm vorzunehmen
G. Zachmann
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17
C
G
C
Ausgabe auf stdout
§  Unformatiert:
print "hallo", x, 2+3
print "x:\t", x , "\ny:\t", y
§  Formatiert:
print "format-string" % (arg1, arg2, …)
§  % ist ein Operator, der einen String und eine Liste nimmt, und wieder
einen String liefert.
G. Zachmann
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C
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Der Format-String
§  Normale Zeichen und mit % eingeleitete Formatierungsanweisung
§  Korrespondenz zwischen %-Anweisung und Argumenten:
print "Blub %· Bla %· Blubber …" % (arg1, arg2, …)
§ in C++:
printf( "Blub %· Bla %· Blubber …", arg1, arg2, … );
§  Häufige %-Formatangaben (wie in C++):
G. Zachmann
%-Angabe
Formatierung
%d
%u
%f
%s
%x
int
unsigned int
float
string
Hexadezimal-Zahl
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C
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C
Beispiel: Tabellarische Ausgabe
§  Einfache Ausgabe:
"%d %f"
§  Padding für positive Zahlen:
x
y
-10 1.321
-1 3.452678
0 7.701345
117 -0.001
"% d % f"
Space
§  Mit Spaltenbreite:
"% 10d % 10f"
§  Mit Präzision:
"% 10d % 10.3f"
G. Zachmann
x
-10
-1
0
117
y
1.321
3.452
7.701
-0.001
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G
C
Lesen von stdin
§  Ganze Zeile als String einlesen:
x = raw_input("Prompt:")
§  Das Prompt ist optional
§  Einzelne Zahl einlesen:
x = input("prompt")
§  Klappt nur, wenn der eingegebene String eine einzelne Zahl ist
§  Genauer: Eingabe muß ein einzelner gültiger Python-Ausdruck sein
G. Zachmann
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C
G
C
Komplexere Eingaben lesen
§  Mehrere Zahlen in einer Zeile einlesen:
v1, v2, v3 = input("Geben Sie den Vektor ein: ")
§  Eingabe muß 1, 2, 3 sein!
§  Zeilen lesen bis Input leer:
import sys
for line in sys.stdin :
# do something with line
G. Zachmann
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C
G
C
§  Von Tastatur einlesen:
% ./program
Geben Sie den Vektor ein: □
§  Mit I/O-Redirection aus File lesen:
% ./program < vector.txt
Geben Sie den Vektor ein:
%
§  Achtung: falls mit Schleife gelesen wird, muß man manchmal 2x Ctrl-D
drücken zum Beenden der Eingabe (Bug in Python?)
G. Zachmann
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C
G
C
Kommando-Zeilen-Argumente
§  Bei Aufruf der Form
% ./program arg1 arg2 arg3
werden Kommandozeilenargumente im sog. Environment des
neuen Prozesses gespeichert
§  Zugriff über die argv-Variable:
import sys
for arg in sys.argv:
print arg
§  Oder:
print argv[0], argv[1]
§  argv[0] enthält Name des Skriptes
G. Zachmann
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C
G
C
Beispiel: Berechnung von Schaltjahren
import sys
y = int( sys.argv[1] )
isLeapYear = (y % 4 == 0) and (y % 100 != 0)
isLeapYear = isLeapYear or (y % 400 == 0)
if ( isLeapYear ):
print y, " ist ein Schaltjahr"
else:
print y, " ist kein Schaltjahr"
G. Zachmann
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C
G
C
File-Eingabe und -ausgabe
§  Bisher gesehen:
§  Ausgaben in Datei mit Redirection: program > outfile
§  Eingaben aus einer Datei mit Redirection: program < infile
§  Erstellen, Schreiben und Lesen von Dateien aber auch direkt im
Programm selbst möglich:
f = open("filename")
# Ergibt ein Datei-Objekt
line = f.readline()
# Liest die erste Zeile der Datei
while line:
# Zeilenweise Lesen der Datei
print line
line = f.readline()
f.close()
#Schließen der Datei
G. Zachmann
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C
G
C
§  Man kann auch den gesamten Inhalt direkt lesen:
f = open( "filename" ) # Ergibt ein Datei-Objekt
inhalt = f.read()
# Liest die gesamte Datei
f.close()
# Schließen der Datei
§  Erzeugen und Schreiben in eine Datei:
f = open( "out", "w" ) # Öffne Datei zum Schreiben
i = 0;
while i < 10:
f.write( "%d\n" % i ) # Datei-Ausgabe
i += 1
f.close()
#Schließen der Datei
G. Zachmann
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C
G
C
Beispiel
§  Liste mit Daten von Studenten (Name, Matrikelnummer, Note der
Informatik-Klausur) sei in File Studenten.dat gespeichert.
§  Das Prüfungsbüro will eine Liste mit den Namen aller Studenten,
die die Klausur bestanden haben.
Name
Müller
Meier
Mustermann
…
G. Zachmann
Studenten.dat
MatrNr
123456
348565
540868
…
Note
1.0
3.7
5.0
…
49
C
G
C
import string
in = open( "Studenten.dat" )
# Ergibt ein Datei-Objekt
line = in.readline()
while line:
# Zeilenweise Lesen der Datei
a = string.split( line )
Die Funktion "split" teilt einen
name.append( a[0] )
String in einzelne Wörter auf
und liefert ein Array
note.append( float(a[2]) )
line = in.readline()
in.close()
out = open( "Bestanden.dat", "w" )
for i in range( 0, len(name) ):
if note[i] < 5.0:
out.write( "%s\n" % name[i] ) # Datei-Ausgabe
out.close()
G. Zachmann
50
23
C
G
C
System-Aufrufe
§  Aufgabe: andere Programme von Skript aus aufrufen
§  Lösung in Python: Das os-Modul
import os
os.system("command args …")
§  Beispiel: Mails aus einem Programm heraus versenden
import os
message = open("/tmp/msg", "w")
message.write("test 1 2 3 \n")
message.close()
os.system("mail –s Betreff zach < /tmp/msg")
G. Zachmann
51
C
G
C
Kontrollstrukturen (flow control)
§  Ändern den Ablauf der Ausführung der Befehle
§  Fassen Befehle zu einem größeren Ganzen zusammen
We sometimes like to point out the close analogies between
computer programs, on the one hand, and written poetry or written
musical scores, on the other. All three present themselves as […]
symbols on a two-dimensional page […]. Yet, in all three cases, the
visual, two-dimensional, frozen-in-time representation communicates
(or is supposed to communicate) something rather different, namely
a process that unfolds in time. A poem is meant to be read; music,
played; a program, executed as a sequential series of computer
instructions.
(Numerical Recipes)
G. Zachmann
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24
C
G
C
Block
§  Keine Kontrollstruktur im eigentlichen Sinn
§  Dient zur Zusammenfassung mehrerer Anweisungen
§  Unteschied zu C++: Blockzugehörigkeit wird in Python über
Einrückung angezeigt!
§  Beispiel:
a = 1
b = a*a
selbe Einrückungstiefe!
§  in C++:
{
}
a = 1;
b = a*a;
§  Wird fast ausschließlich für Kontrollstrukturen gebraucht
§  Kann man schachteln ("innerer" und "äußerer" Block)
G. Zachmann
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C
G
C
§  Etwas längerer Vergleich zeigt den Vorteil der Python-Syntax:
Python
for i in range(20):
if i%3 == 0:
print i
if i%5 == 0:
print "Bingo!"
print "---"
G. Zachmann
C++
for (i = 0; i < 20; i++)
{
if (i%3 == 0)
{
printf("%d\n", i);
if (i%5 == 0)
printf("Bingo!\n");
}
printf("---\n");
}
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25
C
G
C
Exkurs über Strukturierung von Blöcken
§  Es gibt drei Möglichkeiten, Kontroll-Strukturen syntaktisch zu
behandeln:
1.  Folgen von Anweisungen mit explizitem Ende durch ein eigenes
Keyword (Algol-68, Ada, COBOL, Shell-Sprachen)
2.  Einzelne Anweisung mit speziellen Keywords/Zeichen, um eine Folge
von Anweisungen zu einer Anweisung zu klammern (Algol-60,
Pascal, C)
3.  Einrücken (ABC, Python)
G. Zachmann
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C
G
C
IF condition THEN
IF condition THEN
stmt;
BEGIN
stmt;
stmt;
..
stmt;
ELSIF condition THEN
END
..
stmt;
ELSIF condition THEN
BEGIN
..
stmt;
ELSE
stmt;
..
..
END;
ELSE
END IF;
BEGIN
next statement;
stmt;
..
END;
next-statement;
Folge von
Anweisungen
mit Ende-Keyword
G. Zachmann
Einzelne Anweisung
mit Block-Keywords
IF condition:
stm;
stm;
..
ELSIF condition:
stm;
..
ELSE:
stm;
..
next-statement
Einrückung
begin … end ist,
grammatikalisch gesehen,
1 Statement! Dito für {…}
56
26
C
G
C
Die Kontrollstrukturen im Überblick
§  If:
if condition :
# Block: do something
else:
# Block: do somehting else
§  While:
§  For:
while condition :
for x in list :
§  Häufigster Fall:
for x in range(0,n):
# x = 0, 1, ..., n-1
G. Zachmann
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C
G
C
§  Break & continue:
§  Brechen eine Schleife ab bzw. starten den nächsten Schleifendurchlauf
G. Zachmann
Bedingung
Schleifenrumpf
break
continue
while oder for:
if ...:
break
if ...:
continue
...
# continue jumps here
# break jumps here
58
27
C
G
C
If
§  Beispiel:
if a < b :
else:
# Block: do somehting else
§  In C++:
if (a < b)
{
...
}
else
{
...
}
§  Beliebte Falle:
true
cond
block1
false
block2
if i = 1 :
block
§  In Python: zum Glück Fehlermeldung
§  In C++: keine Fehlermeldung, aber schwierig zu findender Bug
G. Zachmann
59
C
G
C
Geschachtelte If's
§  Wie in C++: If's kann man schachteln, d.h.,
Anweisung(en) innerhalb if oder else können wieder if's
enthalten ("inneres" und "äußeres" If)
§  Bei langen "Listen" von geschachtelten If's empfiehlt sich elif:
if condition1 :
# Block1
else:
if condition2 :
# Block2
else:
if condition3 :
# Block3
else:
# Block4
G. Zachmann
if condition1 :
# Block1
elif condition2 :
# Block2
elif condition3 :
# Block3
else:
# Block4
60
28
C
G
C
§  Beispiel (vollständige Fallunterscheidung):
# sort 3 numbers
if x < y :
if y < z :
pass # schon sortiert
else :
if x < z :
x, y, z = x, z, y
else :
x, y, z = z, x, y
else :
if x < z :
x, y, z = y, x, z
else :
if y < z :
x, y, z = y, z, x
else :
x, y, z = z, y, x
§  Hier kann man natürlich nicht umschreiben
G. Zachmann
61
C
G
C
Schleifen
"Life is just one damn thing after
another."
-- Mark Twain
"Life isn’t just one damn thing
after another … it’s the same damn
thing over and over and over
again."
-- Edna St. Vincent Millay
G. Zachmann
62
29
C
G
C
While-Schleife
§  Definition (Syntax & Semantik):
condition
while condition :
false
true
statements
statement(s)
§  Beispiel:
Python
b = input()
a = 1
while a < b :
a *= 2
print a
G. Zachmann
C++
// int b
int a = 1;
while ( a < b )
{
a *= 2;
}
63
C
G
C
Beispiel: Quadratwurzeln (Newton-Raphson)
§  Ziel: Berechnung der Quadratwurzel einer
Floatingpoint-Zahl c
§  Initialisiere t = c
§  Ersetze t durch den
Mittelwert von t und c/t
§  Wiederhole, bis t = c/t
c = 2.0
# input
t = c
while t*t – c > 0.00000000001 :
t = ( c/t + t ) / 2.0
print t
G. Zachmann
64
30
C
G
C
Funktionsweise der Newton-Raphson-Methode
§  Ziel: Finde die Nullstelle einer Funktion f(x)
§  z.B. f(x) = x² - c
§  Starte mit einem beliebigen t0
§  Betrachte die Tangente an dem Punkt ( ti, f(ti) )
§  ti+1 ist der Punkt, an dem diese Tangente die xAchse schneidet
§  d.h.
§  Wiederhole dies, bis Nullstelle gefunden
§  Anwendungen
§  Nullstellen differenzierbarer Funktionen finden
§  Extrempunkte zweifach differenzierbarer
Funktionen finden
G. Zachmann
65
C
G
C
For-Schleife
§  Anders als in C++
§  Definition:
erzeuge
Zahlenfolge
for x in list :
statements
§  Oft wird list durch die range-Funktion
generiert (s. später)
§  Statt range kann jede andere Art von
Listen stehen
§  Erstes Beispiel eines Iterators!
Folge
noch nicht
erschöpft
false
true
x = nächstes
Element aus Folge
statement(s)
G. Zachmann
66
31
C
G
C
Beispiel C++ vs. Python
§  Beispiel: geometrische Reihe
# float q, int n
s = 0.0
# s = geom. Reihe 1 + q + q^2 + q^3 + … + q^n
qq = 1.0
for i in range(0,n):
s += qq
Loop body
qq *= q
(Schleifenrumpf)
print s
"Schleifenvariable"
(loop variable)
§  in C++:
G. Zachmann
// float q; unsigned int n;
float s = 0;
// s = geom. Reihe 1 + q + q^2 + q^3 + … + q^n
float qq = 1;
for ( unsigned int i = 0; i < n; i ++ )
{
s += qq;
qq *= q;
}
67
C
G
C
Beispiel: Mittelwert
Diese Funktion liest
alle Zeilen auf einmal
in eine Liste
lines = sys.stdin.readlines()
n_values = 0
sum = 0.0
Problem: was, wenn der
for line in lines:
input stream gar nicht
sum += float(line)
mehr aufhört?!
n_values += 1
if n_values > 0 :
average = sum / n_values
print "Average = %f\n" % (average)
else:
Oder Fehlercode zurückgeben,
print "No values on stdin!"
oder Exception werfen, oder ...
NB: Eingabe auf stdin mit CTRL-D abschließen.
(CTRL-D = EOF [end-of-file] unter unix)
G. Zachmann
68
32
C
G
C
Längeres Beispiel: Longest Run
list_size = 3
Angenommen, wir
n_values = 0
wüssten das
longest_run = 0
length = 0
last_value = 0
while n_values < list_size:
value = input()
if value == last_value:
length += 1
else
length = 1
if longest_run < length:
longest_run = length
last_value = value
n_values += 1
print "Longest Run = %d\n" % (longest_run)
G. Zachmann
69
C
G
C
Eingabe: 1.0 5.0 5.0
list_size = 3
n_values = 0
longest_run = 0
list_size
3
length = 0
n_values
0
2
1
3
last_value = 0
0
1
longest_run
2
value = input()
length
0
2
1
last_value
0
5.0
1.0
length += 1
value
1.0
5.0
else
length = 1
last_value = value
n_values += 1
print "Longest Run = %d\n" %(longest_run)
G. Zachmann
70
33
Korrekte Programme durch vollständige Fallunterscheidung
C
G
C
list_size = 3
Kennt man
n_values = 0
i.A. nicht!
longest_run = 0
length = 0
last_value = 0
value = input()
length += 1
else
length = 1
last_value = value
n_values += 1
print "Longest Plateau = %d\n" % (longest_run)
G. Zachmann
71
C
G
C
import sys
longest_run = 0
Diese Funktion liest
length = 0
alle Zeilen auf einmal
last_value = 0
in eine Liste
for line in lines:
value = float(line)
length += 1
else
Problem: was, wenn
float(lines[0]) == 0?!
length = 1
last_value = value
NB: Eingabe auf stdin mit CTRL-D abschließen.
(CTRL-D = EOF [end-of-file] unter unix)
G. Zachmann
72
34
C
G
C
import sys
length = 0
longest_run = 0
first = True
Noch ein Problem:
for line in lines:
was, wenn der input stream
value = float(line)
gar nicht mehr aufhört?!
if first:
last_value = value – 1
first = False
length += 1
else
length = 1
last_value = value
G. Zachmann
73
C
G
C
Beispiel: "Chaos Game"
§  Spiel in einem gleichseitigem Dreieck,
dessen Ecken rot (R), grün (G) und blau
(B) eingefärbt sind
B: (256, 256.√3)
§  Starte bei Punkt R
§  Wiederhole:
§  Wähle zufällig einen Eckpunkt
2
§  Gehe die Hälfte der Strecke zwischen
momentanem Standpunkt und
dem ausgewählten Eckpunkt
§  Male dort einen Punkt
5
1
3
6
4
0
R: (0, 0)
G. Zachmann
G: (512, 0)
74
35
C
G
C
import Image
import random
import sys
# Windows: from PIL import Image
im = Image.new("RGB", (512,512), (256 256,256) )
N = int( sys.argv[1] )
# number of iterations
x = 0.0
y = 0.0
Hier fehlt eigtl ein Test, ob
überhaupt ein Command-Line-Argument
angegeben wurde!
for i in range( 0, N ):
r = random.random()
if r < 0.333:
x0 = 0.0
y0 = 0.0
elif r < 0.6667:
x0 = 512.0
y0 = 0.0
else:
x0 = 256.0
y0 = 443.4
x = ( x0 + x ) / 2.0
y = ( y0 + y ) / 2.0
im.putpixel ( (int(x), int(y)), (int(x), int(y), 0) )
im.show()
G. Zachmann
75
C
G
C
% ./Sierpinski.py 100000
§  Aufgabe: ausprobieren, was passiert, wenn man einen zufäligen
Punkt im Inneren des ursprünglichen RGB-Dreiecks als "Seed"
nimmt
G. Zachmann
76
36
C
G
C
Geschachtelte Schleifen (nested loops)
§  Analog wie in anderen Sprachen
§  Schleifenrumpf kann wieder Schleife enthalten:
for i in range(…):
for j in range(…):
...
Andere
Schleifenvariable
nehmen!
§  Beispiel:
Ausgabe
*
**
***
****
for i in range(0,5):
for j in range(0,i):
print "*",
print ""
G. Zachmann
77
C
G
C
Break und continue
§  Wie in C++: zusätzliche Sprünge
Schleifenrumpf
break
§  break: springt aus Schleife heraus (nur 1
Level!)
continue
Bedingung
innerhalb der Schleife
§  continue: startet sofort den nächsten
Schleifendurchlauf
while ...:
if ...:
break
if ...:
continue
...
# continue jumps here
# break jumps here
G. Zachmann
while (...)
{
if ( ... )
break;
if ( ... )
continue;
...
// continue jumps here
}
// break jumps here
80
37
C
G
C
Interaktives Programm
§  Lissajous-Figuren
§  Idee: zwei orthogonale Schlitten, die hin- und herfahren und
gemeinsam einen Stift führen
§  Schlitten werden durch periodische Funktionen gesteuert, z.B. sin/cos
G. Zachmann
81
38

Informatik II Einführung in Python, Basics Vergleich

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